(57)【要約】  本発明は、少なくとも１つのワークピース（１０５Ａ）をクランプするためのワークテーブル（１０５）と、材料をワークピース上に肉盛すると共に材料をワークピース（１０５Ａ）と溶接するためのパウダーノズル（１０６）を備えるレーザーヘッド（１０１）と、塗布された材料の肉盛及び溶接によってワークピース（１０５Ａ）を加工するために、ワークピースに関してレーザーヘッドを位置付けるためのレーザーヘッド位置決め装置と、シールドガス雰囲気下でレーザーヘッド（１０１）によってワークピース（１０５Ａ）を加工するための、シールドガスで満たされ得るシールドガス装置（１０８）と、ワークテーブル（１０５）上でシールドガス装置（１０８）を移動させ位置付けるための位置決め装置と、を備える工作機械（１００）を提供する。本発明は、工作機械におけるワークピースの付加的及び除去的加工ステップの範囲内のフレキシブルな加工を可能とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つのワークピース（１０５Ａ）をクランプするためのワークテーブル（１０５）と、
材料を前記ワークピース上に肉盛すると共に前記材料を前記ワークピース（１０５Ａ）と溶接するためのパウダーノズル（１０６）を備えるレーザーヘッド（１０１）と、
塗布された材料の肉盛及び溶接によって前記ワークピース（１０５Ａ）を加工するために、前記ワークピースに関して前記レーザーヘッドを位置付けるためのレーザーヘッド位置決め装置と、
シールドガス雰囲気下で前記レーザーヘッド（１０１）によって前記ワークピース（１０５Ａ）を加工するための、シールドガスで満たされ得るシールドガス装置（１０８）と、
前記ワークテーブル（１０５）上で前記シールドガス装置（１０８）を移動させ位置付けるための位置決め装置と、を備える工作機械（１００）。
【請求項２】
前記シールドガス装置（１０８）は、前記ワークピースを加熱するための誘導コイル（１１１）を含む、ことを特徴とする請求項１に記載の工作機械。
【請求項３】
前記誘導コイル（１１１）は、前記位置決め装置によって前記シールドガス装置（１０８）を前記ワークテーブル（１０５）上に載せる際、前記ワークピースが広範囲にわたって前記誘導コイル（１１１）によって包囲されるように、前記シールドガス装置（１０８）内に配置されている、ことを特徴とする請求項２に記載の工作機械。
【請求項４】
前記レーザーヘッド（１０１）は工具インターフェースを備え、当該インターフェースによって前記工作機械（１００）のワークスピンドル内へ導入され得る、ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の工作機械（１００）。
【請求項５】
前記シールドガス装置（１０８）は工具インターフェースを備え、当該インターフェースによってワークスピンドル（１０２）内へ導入され得る、ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の工作機械（１００）。
【請求項６】
前記位置決め装置は前記ワークスピンドル（１０２）とは別個の機構を備え、当該機構によって前記シールドガス装置（１０８）が移動され且つ位置付けられ得る、ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の工作機械（１００）。
【請求項７】
前記シールドガス装置の移動及び位置付けのための前記位置決め装置は、把持アーム（１０７ａ）を備える把持装置（１０７）として形成されており、当該把持アームによって前記シールドガス装置（１０８）が受容され、移動され且つ位置付けられ得る、ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の工作機械（１００）。
【請求項８】
前記把持装置（１０７）は前記レーザーヘッド（１０１）のハウジングに配置されている、ことを特徴とする請求項７に記載の工作機械（１００）。
【請求項９】
前記シールドガス装置（１０８）のハウジングは、シールドガスのための導管（１１０）及び前記シールドガス装置をシールドガスで満たすための制御可能なガスバルブを含んでいる、ことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の工作機械（１００）。
【請求項１０】
前記シールドガス装置（１０８）の下面には弾性シール（１０８Ｂ）が設けられており、当該弾性シールによって、前記ワークテーブル（１０５）上に位置付けられた前記シールドガス装置（１０８）と前記ワークテーブル（１０５）の間の接触面がシールされ得る、ことを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の工作機械（１００）。
【請求項１１】
前記シールドガス装置（１０８）はクランプ機構（１１５）を含み、当該クランプ機構によって前記シールドガス装置（１０８）が前記ワークテーブル（１０５）上に固定的にクランプされ得る、ことを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の工作機械（１００）。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれか１項に記載の工作機械であって、
前記シールドガス装置（１０８）が前記ワークテーブル上にクランプされた第１のワークピースを包囲するように、前記シールドガス装置（１０８）を前記位置決め装置を用いて前記ワークテーブル（１０５）の第１の位置に位置付けるステップと、
前記シールドガス装置をシールドガスで満たすステップと、
前記レーザーヘッド位置決め装置を用いて、加工対象である前記ワークピースの領域における加工位置に、前記レーザーヘッドを位置付けるステップと、
前記レーザーヘッド（１０１）を用いてシールドガス雰囲気下で前記ワークピース（１０５Ａ）を加工するステップと、
ワークピース加工の後、前記レーザーヘッド位置決め装置を用いて前記レーザーヘッド（１０１）を移動させるステップと、
前記位置決め装置を用いて前記ワークテーブルから前記シールドガス装置を持ち上げ、及び、場合によっては、第２のワークピース（１０５Ａ）がクランプされた前記ワークテーブル（１０５）上の第２の位置に前記シールドガス装置（１０８）を位置付けるステップと、
上述したステップを繰り返すステップと、
を含む加工シーケンスを設定するための制御装置によって特徴付けられる工作機械。
【請求項１３】
工作機械（１００）でワークピース（１０５Ａ）を付加的に及び除去的に加工するための方法であって、
シールドガス装置（１０８）がワークテーブル（１０５）上にクランプされた第１のワークピース（１０５Ａ）を包囲するように、前記シールドガス装置（１０８）を位置決め装置を用いて前記ワークテーブル（１０５）の第１の位置に位置付けるステップと、
前記シールドガス装置（１０８）をシールドガスで満たすステップと、
レーザー肉盛溶接によって前記ワークピースを付加的に加工するために、前記ワークピース（１０５Ａ）の領域における加工位置に、レーザーヘッド位置決め装置を用いてレーザーヘッド（１０１）を位置付けるステップと、
前記レーザーヘッド（１０１）を用いてシールドガス雰囲気下でレーザー肉盛溶接によって前記ワークピース（１０５Ａ）を付加的に加工するステップと、
ワークピース加工の後、前記レーザーヘッド位置決め装置を用いて前記レーザーヘッド（１０１）を移動させるステップと、
前記位置決め装置を用いて前記ワークテーブル（１０５）から前記シールドガス装置（１０８）を持ち上げるステップと、
前記ワークピースが完全に冷却される前又は後に、前記ワークピース（１０５Ａ）を、例えばドリル加工、旋盤加工又はフライス加工によって除去的に加工するステップと、
を含む方法。
【請求項１４】
工作機械（１００）でワークピース（１０５Ａ）を付加的に及び除去的に加工するための請求項１３に記載の方法であって、さらに、
第２のワークピースがクランプされた前記ワークテーブル（１０５）上の第２の位置に前記シールドガス装置（１０８）を位置付けるステップと、
レーザー肉盛溶接の上述したステップを繰り返すステップと、
を含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、肉盛溶接のためのレーザーヘッドを用いたワークピースの加工のために適合された工作機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
いわゆるレーザー肉盛溶接は、「積層造形（additive manufacturing）」の特殊な形態であり、そこでは、レーザー光線による二次材料（例えば、金属パウダー、ワイヤー）の塗布及び溶融を用いてワークピースに対して表面加工を実行するという方法で、材料の付加によって造形が実現される。これは、大抵の場合に切削加工等によって造形が実現される、従来工作機械において慣用されていた除去的な加工とは対照的である。
【０００３】
二次材料は、その際、層状に又は逐一、ベース材料の上に塗布され、当該ベース材料と共に溶融される。この加工方法の格別な利点は、ベース材料と二次材料の間の結合が、空洞又は亀裂が発生することなく実行され得ることである。これは、ベース材料も二次材料も溶融し、溶融物が互いに結合するからである。二次材料は、このようにして、レーザー肉盛溶接の際、ワークピースの表面との高強度の溶接接合を形成する。
【０００４】
したがって、レーザー肉盛溶接によるワークピース加工によって、変動する壁厚を有する３次元的な構造を、ワークピースの支持構造なしに且つ高品質で、ワークピース上における層状の又は逐一の二次材料の塗布の繰り返しによって、形成することが可能となる。レーザー肉盛溶接の方法ステップの後、ワークピースは、通常、別個の加工プロセスにおいて冷却され、切削による金属加工に供される。
【０００５】
「積層造形」という主題に関する基本的な特許出願が、本出願人の特許文献１である。そこでは、レーザー肉盛溶接によってワークピースの正確な製作を可能とする工作機械のコンセプトが開示されている。特に、その際、肉盛溶接工程中の不正確性に起因する寸法精度の公差の問題、及び、温度変動に起因する寸法変化の問題が論じられている。
【０００６】
さらに、除去的なワークピース加工（例えば、切削工程による材料の除去）の加工ステップが、ＩＯＣ（Intelligent Orientation Control）制御された工程の実行によって示されている。そのようなＩＯＣ制御された工程に特徴的なことは、付加的な加工にも除去的な加工にも適合された工作機械における、機械的な機構の複雑さの増大である。
【０００７】
特に、切削及びレーザー加工を同時に行う工作機械では、切削加工工具とレーザー加工工具の間での工具交換に関する難題が存在する。この関連において、肉盛溶接中、溶接位置へのシールドガス流の供給によって、積層プロセス中の酸化が抑制されなければならないことが、特に問題となる。
【０００８】
それに対応して、加工セクションに制御可能な加工雰囲気が生成され得るレーザー溶接又はレーザー焼結のためのシステムが、従来技術から知られている。例えば、特許文献２は、付加的な製作（レーザー焼結、レーザー溶接）のための装置を記述しており、当該装置は、加工チャンバーと、当該加工チャンバーの窓を通じてレーザー光線を導くための気密に密封可能なハウジングを備える交換可能な光学モジュールと、を備えている。さらに、当該モジュールは、光学モジュール内のコンポーネントを一定の温度に維持するために、不活性ガス雰囲気を生成するように適合され得る。
【０００９】
特許文献３は、３次元的な部材を製作するために、溶接されるべき金属パウダーを用いて材料層を塗布するための、サーマルコーティングシステム（例えば、溶接ベースのコーティングシステム、レーザーベースのコーティングシステム）を記述している。当該サーマルコーティングシステムは、パウダー供給システムのチャンバーを含み得る。当該チャンバーは、チャンバー内のパウダー分配装置の表面から汚染物質を除去するために、流入及び流出開口を経る不活性の搬送ガス流によってチャンバー内に真空を生成するように適合されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】独国特許出願公開第１０２０１３２２４６４９号明細書
【特許文献２】国際公開第２０１０／０２６３９７号
【特許文献３】米国特許第７０２０５３９号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の課題は、従来技術を考慮して、特にワークピース加工の際の効率及び加工されたワークピースの品質を高めるために、付加的なワークピース加工の際のプロセス工程を最適化することを可能とする、工作機械及び方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
そのために、本発明は、請求項１による工作機械、及び、請求項１３による方法を提案する。従属請求項は、本発明の有利な実施例に関する。
【００１３】
本発明に従って、少なくとも１つのワークピースをクランプするためのワークテーブルと、材料をワークピース上に肉盛すると共に当該材料を当該ワークピースと溶接するためのパウダーノズルを備えるレーザーヘッドと、塗布された材料の肉盛及び溶接によってワークピースを加工するために、ワークピースに対してレーザーヘッドを位置付けるためのレーザーヘッド位置決め装置と、シールドガス雰囲気下でレーザーヘッドによってワークピースを加工するための、シールドガスで満たされ得るシールドガス装置と、ワークテーブル上でシールドガス装置を移動させ位置付けるための位置決め装置と、を備える工作機械が提案される。
【００１４】
位置決め装置によって移動され位置付けられ得るシールドガス装置を備える本発明による工作機械の構成によって、レーザー肉盛溶接又は積層造形における方法シーケンスに関して一連の本質的な利点が得られる。
【００１５】
ワークピース全体がシールドガス雰囲気内に位置付けられ得るため、肉盛溶接の空間内でのレーザーによるワークピースの加熱の結果として生じ得る酸化に対する保護が、さらに改善される。
【００１６】
特に、ワークピースのうち、レーザーヘッドのパウダーノズルから流出するシールドガスによって直接的には覆われないセクションの酸化も阻止され得る。
【００１７】
移動可能なシールドガス装置の更なる本質的な利点は、工作機械に固定的に設置されたシールドガスチャンバーと比較して、固定されていないシールドガス装置は容易に交換することができ、その結果、例えばシールドガス装置の大きさを関連するワークピースに適合させることができ、それゆえ、シールドガス消費量がワークピースの容積を考慮して計量可能となることにある。
【００１８】
更なる本質的な利点は、シールドガス装置の移動及び位置付けのための位置決め装置によって、工作機械が、例えばドリル加工、旋盤加工、フライス加工のような従来の金属加工にも同時に特に適しているという事実から生じる。というのは、切削加工には原理的に必須ではないシールドガス装置がワークテーブルから持ち上げられ移動されることにより、ワークテーブル上のワークピースの構成を容易に変更できるからである。
【００１９】
本発明による工作機械の特に有利に構成された実施形態は、ワークピースを加熱するための誘導コイルを含むシールドガス装置を備えている。特に、誘導コイルは、位置決め装置によってシールドガス装置をワークテーブル上に載せる際、ワークピースが広範囲にわたって誘導コイルによって包囲されるように、シールドガス装置内に配置され得る。
【００２０】
このようにして、ワークピースを狙い通りに予熱することが可能となる。シールドガス装置によって形成される加工スペースにシールドガスを同時に供給することにより、ワークピースの表面全体の酸化が確実に阻止される。
【００２１】
レーザー加工前のワークピースの予熱が、既にそれ自体、顕著な利点をもたらす。一方では、ワークピースの必要とされる溶接温度に到達するまでの時間が、レーザーによって短縮される。他方では、局所的なレーザー加工の結果、ワークピース容積の全体を見た場合に、ワークピースが高い温度勾配を示すことが阻止される。当該温度勾配は、ワークピース材料の歪又は例えば亀裂形成のような材料欠陥につながり得るものであり、また、形状に関する寸法精度にネガティブな影響を与え得るものである。
【００２２】
これは、特に、ワークピース形状に関してしばしばマイクロメーター（μｍ）の領域にある、今日の工作機械の分野で必要とされる精度において、決定的な意義を有する。
【００２３】
シールドガス装置内における誘導コイルの直接的な配置によって、誘導コイルをシールドガス装置と共に移動させることが可能となる。したがって、同時に切削加工にも適合した工作機械は、必要とされる加工時間に関して更に利点を備えている。というのは、予熱されたワークピースに相応して、レーザー加工の短縮された時間が達成され得るからである。結果として、一体化された誘導コイルを備える本発明による「可動の」シールドガス装置が、高められた加工精度を有していながら短縮された加工時間を可能とすることが確認されている。
【００２４】
本発明の別の特に有利な実施形態において、レーザーヘッドは工具インターフェースを備えており、当該インターフェースによって、工作機械のワークスピンドル内に導入され得る。本発明に従って、レーザーヘッド位置決め装置は、その際、ワークスピンドルを含んでいる。工具インターフェースは、例えば、中空テーパーシャンク（Hohlschaftkegel）（ＨＳＫ）又はスティープテーパー（Steilkegel）として形成されている。
【００２５】
位置決め装置によるシールドガス装置の移動及び位置決めに必要な機構は、本発明に従って、様々な態様で実現され得る。
【００２６】
シールドガス装置は、同様に、例えば中空テーパーシャンク（ＨＳＫ）又はスティープテーパーのような通常の工具インターフェースを備えることができ、当該工具インターフェースによって、シールドガス装置は、直接的に工作機械のワークスピンドル内に導入され得る。これによって、シールドガス装置の移動のための位置決め装置の別個の機構が必要ではなく、それにより、必要な構造的コストが制限され、加工状況においてワークテーブルの領域における最適化された空間条件が提供される、という利点がもたらされる。
【００２７】
ワークピース加工は、それゆえ、本発明に従って、ワークスピンドル内に受容されたシールドガス装置がワークテーブル上のワークピースを越えて移動され、ワークテーブル上に位置付けられることにより、実行される。シールドガス装置はワークスピンドルから取り外され、その際、シールドガス装置はワークテーブル上に留まり、ワークピースを取り囲む。レーザーヘッドは、ワークスピンドルの工具インターフェースに導入され、ワークピースに対するレーザー溶接のためにシールドガス装置内で移動される。
【００２８】
しかしながら、これに代えて、シールドガス装置には、ワークスピンドルとは異なる移動又は位置決め装置も備え付けられ得る。このような構造によって、ワークスピンドルを用いて例えば加工ステップ（複数）を並行して実行することができ、同時にシールドガス装置がワークテーブル上でワークスピンドルに位置付けられる、という利点がもたらされる。例えば、そのためにシールドガス装置は、ワークテーブルを越えて移動するキャリッジで導かれることができ、これに基づいて、シールドガス装置は、ワークテーブル上に降下される。
【００２９】
特に有利な構成において、本発明による工作装置は、例えば水平なガイドレールに沿って導かれシールドガス装置を引き渡し位置へと移送するための移動装置を有し、当該引き渡し位置において、移動装置は、例えば通常の工具インターフェースを用いてワークスピンドルによって受容され得る。このような装置によって、シールドガス装置が移動装置によって加工スペースの外部、さらには加工スペースを画定するブース空間の外部にも移動されることができ、それによって、加工スペースの領域における場所が無用に制限されない、という本質的な利点がもたらされる。
【００３０】
加工スペースの領域における空間条件の最適化のために、その際レーザーヘッドは、同様に移動装置によって受容され、加工スペース内へ移送され、又は、当該加工スペースから外へ、さらにはブース空間の外部にも移動され得る。例えば、この目的のために、シールドガス装置及びレーザーヘッドは、共に移動装置の上に取り外し可能に載せられ得る。
【００３１】
移動装置が使用できるか否かにかかわらず、シールドガス装置及びレーザーヘッドは、例えば、シールドガス装置がレーザーヘッドのハウジングの横に取り外し可能に配置されることにより、互いに構造的に統合されることもできる。この変形例は、とりわけ場所を取らず、ワークスピンドルへの導入に必要とされる工程がより少ない。というのは、結局のところ、レーザーヘッド及びシールドガス装置は、例えばワークスピンドル内のレーザーヘッドの工具インターフェースによって、共に導入され得るからである。換言すれば、この場合、ワークスピンドルは、請求項１の意味でのシールドガス装置の移動及び位置付けのための位置決め装置としても、ワークピースに関してレーザーヘッドを位置付けるためのレーザーヘッド位置決め装置の要素としても、機能する。
【００３２】
レーザーヘッド及びシールドガス装置が、移動装置によって両方の機能構成要素をレーザーヘッド位置決め装置に移送するために互いに構造的に統合されているこの構成において、また他の実施形態においても、シールドガス装置の移動及び位置付けのための本発明による位置決め装置が、シールドガス装置を移動させ位置付け得る把持アームを備える把持装置を付加的に備えていることは、有意義であり得る。
【００３３】
このようにして、例えば、レーザーヘッド及び取り外し可能に配置されたシールドガス装置が、共に移動装置によって加工スペースの領域内へ移送されること、レーザーヘッドを工具インターフェースに導入すること、及び続いて把持装置を用いてシールドガス装置をワークピースの上方に正確に位置付けること、が可能である。
【００３４】
本発明の特に簡易に構成された実施形態において、把持装置は、同時にシールドガス装置の移動及び位置付けのための位置決め装置であり、場合によっては、レーザーヘッドの移動のための機構から完全に独立して移動され位置決めされ得る。
【００３５】
この関連において、「把持装置」という名称は、如何なる場合にも、構造的な観点で１つの把持機構に限定されるものとして、より狭い意味で解釈されるべきでないことに注意されたい。むしろ、「把持」という概念は、把持プライヤー、ラッチ機構又は分離可能な連結の生成のための他の構造的な機構が使用されるか否かにかかわらず、（把持）装置とシールドガス装置の間の分離可能な連結の生成を意味する。
【００３６】
好ましくは、シールドガス装置は円筒状のハウジングを備えている。ハウジング形状とは関わりなく、シールドガス装置のハウジングは、シールドガスのための導管と、シールドガス装置をシールドガスで満たすための制御可能なバルブを含み得る。
【００３７】
さらに、シールドガス装置の下面には弾性シールが設けられることができ、当該弾性シールによって、ワークテーブル上に位置付けられたシールドガス装置とワークテーブルの間の接触面がシールされ得る。このようにして、空気より高い密度を有するシールドガスが、シールドガス装置の下面の間隙を経て漏出し得ることが阻止され得る。
【００３８】
シールドガス装置を、ワークテーブル上に位置付けた後、降下位置に固定するために、これを保証するクランピング機構が設けられ得る。ここでも、「クランピング」という概念は、構造的に限定された態様でではなく、工作機械構築の通常の技術的専門概念として理解されるべきである。適合するのは、ワークテーブル上にシールドガス装置を固定することを可能とするあらゆる任意の装置である。この固定は、例えば機械的に、空気圧によって、磁気によって、又は、真空によって、実現され得る。
【００３９】
本発明の実現のために、本発明による工作機械は、以下のステップを含む加工シーケンスを設定するための制御装置を備えることができる。
【００４０】
シールドガス装置がワークテーブル上にクランプされた第１のワークピースを包囲するように、シールドガス装置を位置決め装置を用いてワークテーブルの第１の位置に位置付けるステップと、シールドガス装置をシールドガスで満たすステップと、材料の塗布及び溶接を通じてワークピースを加工するために、レーザーヘッド位置決め装置を用いて、ワークピースの領域における加工位置にレーザーヘッドを位置付けるステップと、レーザーヘッドを用いてシールドガス雰囲気下でワークピースを加工するステップと、ワークピース加工の後、レーザーヘッド位置決め装置によってレーザーヘッドを移動させるステップと、位置決め装置を用いてワークテーブルからシールドガス装置を持ち上げるステップと、第２のワークピースがクランプされたワークテーブル上の第２の位置にシールドガス装置を位置付けるステップと、上述したステップを繰り返すステップ
【００４１】
このようにして、複数のワークピースを迅速なシーケンスで順に、その都度シールドガス装置を新たに位置付ける必要を生じることなく、レーザー肉盛溶接によって加工することが可能となり得る。さらに、このようにして、第１の既に加工されたワークピースがなお冷却されている間に、既に第２のワークピースを加工することが可能となる。原理的には、それゆえ、第１の既に加工されたワークピースがレーザー肉盛溶接加工の直後に別の加工ステップのために「解放」され、その結果、除去的な加工が直ぐに引き続き行われ得る。
【００４２】
したがって、本発明に従って位置決め装置により移動可能に構成された「可動の」シールドガス装置によって、特に同一の工作機械において除去的及び付加的な加工方法を組み合わせる場合、必要とされる加工時間が大幅に短縮され得る。というのは、ワークテーブル上にクランプされた様々な工具の並行する加工が可能となるからである。同時に、このようにして形状精度が大幅に高められ得る。というのは、本発明に従って適合された工作機械によって、レーザー加工の結果として生じる温度勾配の形成がレーザー肉盛溶接加工の際のワークピースの予熱によって低減され、さらに、切削加工が「高温の」ワークピースに対して行われる必要を生じることなく引き続き行われ得ることが保障されるからである。
【００４３】
この関連において、本発明は、工作機械でワークピースを付加的に及び除去的に加工するための方法であって、以下のステップを含むものを開示する：シールドガス装置がワークテーブル上にクランプされた第１のワークピースを包囲するように、シールドガス装置を位置決め装置を用いてワークテーブルの第１の位置に位置付けるステップ、シールドガス装置をシールドガスで満たすステップ、レーザー肉盛溶接によってワークピースを付加的に加工するために、ワークピースの領域における加工位置に、レーザーヘッド位置決め装置を用いてレーザーヘッドを位置付けるステップ、レーザーヘッドを用いてシールドガス雰囲気下でレーザー肉盛溶接によってワークピースを付加的に加工するステップ、ワークピース加工の後、レーザーヘッド位置決め装置を用いてレーザーヘッドを移動させるステップ、位置決め装置を用いてワークテーブルからシールドガス装置を持ち上げるステップ、及び、ワークピースが完全に冷却される前又は後に、ワークピースを、例えばドリル加工、旋盤加工又はフライス加工によって除去的に加工するステップ
【００４４】
方法は、さらに、第２のワークピースがクランプされたワークテーブル上の第２の位置にシールドガス装置を位置付けるステップ、及び、レーザー肉盛加工のために上述したステップを繰り返すステップを含み得る。
【００４５】
本発明による方法において、第１のワークピースの切削加工は、第２のワークピースのレーザー肉盛溶接による加工の直後に行われ得る。
【００４６】
上述した加工又は方法ステップは、当然、２つのワークピースに限定されない。むしろ、同時にワークテーブル上にクランプされた複数のワークピース又は相前後してワークテーブル上にクランプされる複数のワークピースが、この順に加工され得る。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の第１実施例による工作機械の概略的な斜視図である。
【図２】本発明の一実施例によるレーザー肉盛溶接の機能原理の概略的な説明図である。
【図３】本発明による工作機械の代替的な第２実施例を示しており、当該工作機械においては、シールドガス装置が別個の移動装置によって位置付けられる。
【図４】本発明による工作機械の一断面の概略的な説明図である。
【図５】本発明の第１実施例による、レーザーヘッドのワークスピンドル内への受容の概略的な斜視図である。
【図６】本発明の一実施例による、ワークスピンドル内に受容されたレーザーヘッドの概略的な斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００４８】
以下において、本発明の実施例が、図面に関連して説明される。図面における同一の又は類似の要素は、ここでは同一の参照符号によって示され得る。
【００４９】
図１は、移動可能なレーザーヘッド１０１、レーザーヘッドの受容及び位置決めのために中空テーパーシャンクインターフェース（Hohlschaftkegelschnittstelle）（ＨＳＫ）を備えるワークスピンドルとして形成された受容装置１０２又は除去的な加工工具１０３Ａを備える、本発明の一実施例による工作機械１００の概略的な斜視図を示している。除去的な加工工具１０３Ａは、実用的には工作機械１００の工具マガジン１０３に収納されている。さらに、加工対象である少なくとも１つのワークピース１０５Ａを準備するためのワークテーブル１０５が存在する。ワークテーブルは、工作機械１００の機械ベッド１０５Ｃ上に回転可能に支持されている。
【００５０】
この実施例のレーザーヘッド１０１は、移動装置１０４を用いて第１の任意の位置１００Ｃから第２の位置１００Ｄに向かって、当該レーザーヘッドがワークスピンドル１０２によって受容されるように移動可能である。レーザーヘッド１０１は、このために、移動セクション（キャリッジ）１０４Ｂ上に配置されており、水平なガイドレール１０４Ａに沿って第１の位置から第２の位置へ移動される。レーザーヘッドには、それに加えて、溶接材料をレーザーヘッドのパウダーノズル１０６内へ導入するためのフレキシブルな導管１０４Ｃが装着されている。導管１０４Ｃは、レーザーヘッド１０１の移動の際、これを追尾する。ワークスピンドル１０２は、２つの水平ガイド１０２Ｄに支持されている。代替的に、ワークスピンドル１０２には、例えばワークピース１０５Ａに対してフライス加工を実行するために、工作機械の工具マガジン１０３からの工具１０３Ａが装着され得る。
【００５１】
図２は、本発明による工作機械におけるレーザー肉盛溶接の機能原理を示している。パウダーノズル１０６からは、レーザー光線１１３が、加工対象であるワークピース１０５Ａの表面の溶接位置１０５Ｄ上へ導かれ、層状に盛られたパウダー１０６Ａをワークピース１０５Ａと溶接する。溶接工程の間、シールドガス１１４がノズル開口から放出され、それによって溶接位置の周囲での酸化が防止される。
【００５２】
図３は、本発明による工作機械１００の代替的な構成を示している。シールドガス装置の移動のための移動装置３００の本発明によるこの実施形態において、シールドガス装置１０８は、把持アーム１０７Ｂ及び把持プライヤー１０７Ａを備える把持装置１０７に取り外し可能に固定されており、把持アームと把持装置は、移動装置３００と連結されている。把持装置は、さらに、移動装置３００の水平ガイド３００Ａ及び鉛直ガイド３００Ｂによって、工作機械１００のワークテーブル１０５及びワークピースに対して相対的に移動可能である。したがって、レーザーヘッド１０１及びシールドガス装置１０８は、互いに独立して制御及び移動され得る。移動装置には、この実施例において、移動装置３００内に一体化された別個の制御装置が装備されている。
【００５３】
図４は、パウダーノズル１０６、並びに、ワークテーブル１０５上にクランプされたワークピース１０５Ａの上方においてシールドガス装置１０８を受容し、位置決めし、降下させるための把持アーム１０７Ｂ及び把持プライヤー１０７Ａを有する把持装置１０７を備えるレーザーヘッド１０１の概略的な説明図を示している。把持装置１０７は、レーザーヘッド１０１に配置されている。したがって、ワークスピンドルによって、把持装置も、迅速かつ正確に位置付けられ得る。
【００５４】
ワークテーブル１０５上には、多数のワークピース１０５Ａがクランプされ得る。さらに、図４は、シールドガス装置１０８の詳細を示しており、当該シールドガス装置１０８は、その内部でシールドガス供給１１０によりシールドガス雰囲気が生成される加工スペース１０９をワークピース１０５Ａの周囲に提供するため、加工対象であるワークピースの上方で移動及び降下される。シールドガス装置１０８の下面のシール１０８Bによって、シールドガスの漏出が阻止される。さらに、シール１０８Bとワークテーブル１０５の表面の間のクランピング機構１１５によって、シールドガス装置のワークテーブル１０５上での固定が保証される。
【００５５】
シールドガス装置１０８をワークピース１０５Ａの上へ降下させる際に当該ワークピース１０５Ａを環状に取り囲む、シールドガス装置の内部に配置された電流供給１１１Ａを有する誘導コイル１１１が、ワークピース１０５Ａの均等な加熱を可能とする。それによって、ワークピースの温度勾配が減少し、不均等に加熱されたワークピースの歪による溶接工程中の損傷が防止され得る。さらに、溶接プロセスが、材料の予熱によってより迅速に実行され得る。
【００５６】
ワークピース１０５Ａの周囲に生成されるシールドガス雰囲気は、パウダーノズルを通じてシールドガスの流れによって生成され得る溶接位置におけるシールドガス層と並んで、付加的な酸化保護を生じさせる。それによって、レーザー溶接位置に対応しないワークピース表面の他の部位におけるワークピースの酸化プロセスが阻止される。
【００５７】
図５及び図６は、パウダーノズル１０６を備えるレーザーヘッド１０１の、ワークスピンドル１０２のスピンドルヘッド１０２Ａの内部への受容を示している。レーザーヘッド１０１は、支持ピン１０４Ｈによってキャリッジ１０４Ｂに保持されており、当該支持ピン１０４Ｈは、レーザーヘッド１０１の開口（不可視）に嵌り込む。レーザーヘッド１０１は、ガイドレール１０４Ａによってスピンドルヘッド１０２Ａに向かって移動し、スピンドルヘッド１０２Ａの内部に導入される。その際、レーザーヘッド１０１のスピンドルピン１０１Ａが、スピンドルヘッド開口１０２Ｂの内部に導入される。レーザーヘッド１０１は、パウダーノズル１０６に肉盛溶接のための材料を供給するために、併走可能な導管１０４Ｃによってパウダータンク（不図示）と接続されている。導管１０４Ｃは、互いに隔てられたフレキシブルなリングセグメント１０４Ｇを含んでいる。レーザーヘッド１０１のスピンドルヘッド１０２Ａとの連結の後、溶接領域の保護のための保護プレート１０４Ｄが、キャリッジ１０４Ｂと面一に結合される。それによって、壁２００と共に、空間的に分離された加工領域がブースの内部に提供される。ワークスピンドルと結合された状態において、レーザーヘッド１０１は、ワークテーブル１０５上のワークピース１０５Ａの５軸加工のために移動可能に適合される。スピンドルヘッド１０２Ａは、レーザーヘッド１０１を、ワークテーブル１０５上にあるワークピース１０５Ａに対して任意の位置に位置付けることができる。本発明の図示された構成例によれば、ワークスピンドル１０２、ワークスピンドルヘッド１０２Ａ及び水平ガイド１０２Ｄが、本発明によるレーザーヘッド位置決め装置の要素を形成する。レーザーヘッド１０１には、シールドガス装置１０８が配置されている。レーザー溶接加工は、壁２００及び保護プレート１０４Ｄによって包囲されていると共に、それゆえ加工領域を外部環境から隔離する加工ブース内で実行される。
【００５８】
図１〜６は、ワークテーブル１０５上にクランプされた多数のワークピース１０５Ａを時間的に短いシーケンスで付加的に及び除去的に加工することを可能とする、本発明による工作機械又はその要素を示している。そのために、シールドガス装置１０８が、把持装置によって、加工対象であるワークピースの上方で位置付けられ、降下される。スピンドルヘッドに固定されたレーザーヘッド１０１は、シールドガス装置１０８の位置に移動され、スピンドルヘッド１０２Ａによって、シールドガス装置の加工スペース１０９の内部へ移動される。シールドガス雰囲気が、ワークピース１０５Ａの周囲に、導管１１０を通じたシールドガス装置１０８内部へのシールドガスの導入によって生成される。ワークピースを包囲するシールドガス装置１０８の誘導コイル１１１によってワークピースが加熱され、ワークピース１０５Ａの付加的な加工（レーザー肉盛溶接）がワークピースに対して実行される。レーザー加工の後、レーザーヘッド１０１がシールドガス装置から外へ移動され、シールドガス装置１０８が把持装置１０７を用いてワークピース１０５Ａから持ち上げられると共に、ワークテーブル１０５上にクランプされた第２のワークピースの位置に移動され且つ降下され、第１のワークピース１０５Ａが完全に冷却される前又は後に、第１のワークピース１０５Ａに対して、例えばドリル加工、旋盤加工又はフライス加工のような除去的な加工が施される。
【００５９】
上述した加工プロセスは、ワークテーブル１０５上にクランプされた幾つかの又は全てのワークピース１０５Ａに対して繰り返される。レーザー肉盛溶接による付加的な加工の終了後、加工され冷却されたワークピース１０５Ａに対して、除去的な加工プロセスが施され得る。そのために、レーザーヘッドは、キャリッジ１０４Ｂのレーザーヘッド支持ピン１０４Ｈの上に配置され、ワークスピンドル１０２から取り外されると共に、ガイドレール１０４Ａによってレーザーヘッド１０１の保管位置１００Ｃへ移動される。その後、工具ヘッド１０３Ａが工作機械の工具マガジン１０３からワークスピンドル内へ供給され、工具ヘッド１０３Ａは、例えばフライス加工をワークピース１０５Ａに対して実行するために、ワークピース１０５Ａの位置へ移動される。
【００６０】
本発明は、記述された実施例及びその特徴に限定されることはなく、独立請求項の保護範囲内における記述された例の特徴の組み合わせによって包含される実施例の変更をも、それらが当業者の専門知識の範囲内にある限りにおいて、含んでいる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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